电波校时钟的制作

简介：

手头有一个项目，需要一个“精确”的频率计，作为DIY一族，准备动手制作一个。在制作频率计之前，需要一个 能精确测量晶振频率的东西。之前尝试过NTP对时，发现精度太差，不好使。所以准备改用电波对时。百度搜了一下，动手做电波表的朋友还真不少， 但讲得不够详细，解码部分还是“保密”的。只好尝试自立更生了。

BPC电波钟模块

电波对时需要一个接收头，接收授时中心发出的电波信号。我们国家的授时信号频率为68.5Khz，发射台在商丘。 接收头实际上是一个窄带信号接收器，其带宽只有几个赫兹，通常采用晶体滤波器来限制接收带宽。由于工作频率比较低，放大部分是比较 容易设计的，有一定无线电基础的都可以做出来。

这里我们直接从某宝上买来一个完整的电波钟模块。花了15大洋，省了很多事。

BPC模块上用到的引脚有4条。

VCC ：电源，1.5~3.5V

GND ：地

SIG ：BPC授时信号输出

EN ：模块使能（低电平使能，高电平关闭模块）

BPC解码和校时

电波钟模块输出的BPC信号如下图，1分钟包含3个帧，一个BPC帧的周期为20秒，除了第“0”秒外，其余19秒每秒一个 脉冲。方波秒脉冲有0.1S，0.2S，0.3S，0.4S四种脉冲宽度状态，分别表示四进制的0， 1， 2， 3，现有的时间编码都以二进制表示时间信息， 是为了采用微处理器解码方便。但四进制只是数值的一种表示方式，并不影响微处理器把它作为二进制处理，或者采取简单的变换就可将1位 四进制数变成2位二进制数。

P0设在每分钟0，20， 40秒，以缺少秒脉冲使帧与帧隔开，同时作为帧起始预告。

P1为帧标志，P1＝0表示帧起于第1秒，P1＝1表示帧起始于21秒，P1＝2表示帧起始于41秒。帧标志是必需的，它用来确定整分的起始。 例如：当接收完一组包含着“10时38分”的时间编码时，如果帧标志标明该帧为第二帧，就可以把下一帧的P1位置标定为10时38分41秒， 再过20秒便是10时39分的起始。

P2为预留位。用于需要扩充信息。

时&分表示了时间

其他各位数据在本案中没有用到，不做详细说明

解码MCU采用了TI公司的MSP430G2211IPW14，MSP系列的MCU以低功耗著称，非常适合于电池供电的应用。本例中， MCU大部分时间工作在约20uA的低功耗模式下。

BPC解码软件使用了MSP430G2211的TimeA，TimeA的计数器由32768Hz的晶振提供时钟，从0~0xFFFF循环计数。每2秒 循环一周。BPC信号接在MCU的中断请求上，在上下跳变沿均产生中断，中断服务程序中读取TimerA计数器。根据脉冲宽度解码BPC编码的信号。 由于BPC信号的最小脉宽为0.1秒，软件中还加入了滤波处理，可以滤除脉宽较窄的干扰信号。

if （MCU_INT_GET（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN）） { static uint16 wPrevToggle = 0; //前一次跳变时刻 static uint16 wLastPulseWidth = 0; //前一次脉冲宽度 static uint8 bLastPulsePolarity = 0; //前一次脉冲极性（1：正脉冲，0：负脉冲） static uint8 ucBpcBitPos = 0xFF; //BPC解码位置，0xFF表示解码状态机复位 static uint8 ucBpc［2］; //BPC码数据，只取包含“时：分：秒”信息的前面2字节。 uint16 wCurToggle; //本次跳变时刻 uint16 wCurPulseWidth; //本次脉冲宽度 uint16 wBpcSecond; //BPC解码得到的时间秒数 uint8 bCurPulsePolarity; //本次脉冲极性（1：正脉冲，0：负脉冲） uint8 ucTmp; MCU_INT_XOR_EDGE（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN）; MCU_INT_CLEAR（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN）; //正跳变，表示的是负脉冲（结束） bCurPulsePolarity = MCU_INT_GET_EDGE（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN） ？ 0 ： 1; wCurToggle = GetCurTimerA（）; wCurPulseWidth = wCurToggle - wPrevToggle; if （（wCurPulseWidth 《 PULSE_FILTER_OUT） || （bCurPulsePolarity == bLastPulsePolarity）） { //本次跳变脉宽过短，将当作干扰毛刺被过滤掉，脉宽同前一次合并 //本次脉宽极性同前一次相同（跟在干扰毛刺后），脉宽也同前一次合并 wLastPulseWidth += wCurPulseWidth; } else { //前一次脉宽数据有效，可以处理了。 if （！bLastPulsePolarity && （wLastPulseWidth 》 PULSE_10ms * 100）） { //每帧数据头部有1秒时间的空档期，表示帧起始 ucBpcBitPos = 14; //只用到前14bit数据 ucBpc［0］ = ucBpc［1］ = 0; } else if （ucBpcBitPos ！= 0xFF） { if （！bLastPulsePolarity） { //负脉冲 if （wLastPulseWidth 《 PULSE_10ms * 55） //BPC编码正脉冲宽度最小600ms，《550ms为非法，解码状态机复位 ucBpcBitPos = 0xFF; } else { //正脉冲 ucTmp = 0xFF; if （wLastPulseWidth 《 PULSE_10ms * 45） { if （wLastPulseWidth 》 PULSE_10ms * 35） //400ms脉宽 ucTmp = 3; else if （wLastPulseWidth 》 PULSE_10ms * 25） //300ms脉宽 ucTmp = 2; else if （wLastPulseWidth 》 PULSE_10ms * 15） //200ms脉宽 ucTmp = 1; else if （wLastPulseWidth 》 PULSE_10ms * 5） //100ms脉宽 ucTmp = 0; } if （ucTmp == 0xFF） { //脉宽非法，解码状态机复位 ucBpcBitPos = 0xFF; } else { //保存合法数据 ucBpcBitPos -= 2; ucBpc［ucBpcBitPos 》》 3］ |= ucTmp 《《 （ucBpcBitPos & 0x07）; if （ucBpcBitPos == 0） { //一帧数据接收完成 ucBpcBitPos = 0xFF; //解码状态机复位，等待下次数据 wBpcSecond = （（ucBpc［1］ 《《 2） | （ucBpc［0］ 》》 6）） & 0x0F; //小时 wBpcSecond *= 3600; wBpcSecond += （（uint16）（ucBpc［0］ & 0x3F）） * 60; //分钟 wBpcSecond += （（ucBpc［1］ 》》 4） & 0x03） * 20 + 21; //秒数 //如果相临近的两次BPC校时都是准确的（没有误码），守时中断应该在BPC //信号的边界前后，因此，秒数只可能差0或1秒。据此判断校时成功 if （（wBpcSecond - s_wRealSecond） 《 2） s_wEvent |= BPC_FINISHED; s_wRealSecond = wBpcSecond; s_wTarSecond = wCurToggle + COUNT_1S; } //if （ucBpcBitPos == 0 } } } wPrevToggle = wCurToggle; wLastPulseWidth = wCurPulseWidth; bLastPulsePolarity = bCurPulsePolarity; } }

守时信号输出

TimerA的通道0工作在比较器模式，用作守时和UART波特率发生器。时间以12小时内的秒数表示，从00:00:00或12:00:00 开始计数，在每秒开始时将时间读数从UART口发出去。MSP430G2211没有专用的UART，需要软件实现。UART数据格式为8位、无校验、1200波特率。总共 16bit数据，需要用2个字节表示，加上每字节的起始位、停止位，总共20位。

#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR __interrupt void Uart_ISR（void） { static int8 iBits = 0; static uint16 wMask; TACCTL0 &= ~TAIFG; //清中断 //每秒起始位置把16bits实时时间通过UART发送出去 if （（iBits == 0） || （iBits == 10）） { MCU_IO_CLR（UART_TX_PORT， UART_TX_PIN）; //起始位 } else if （（iBits == 9） || （iBits == 19）） MCU_IO_SET（UART_TX_PORT， UART_TX_PIN）; //停止位 else { //发送数据位 if （s_wRealSecond & wMask） MCU_IO_SET（UART_TX_PORT， UART_TX_PIN）; else MCU_IO_CLR（UART_TX_PORT， UART_TX_PIN）; wMask 《《= 1; } iBits++; if （iBits == 20） { //实时时间发送完毕，准备在下一秒再次发送 s_wTarSecond += COUNT_1S; TACCR0 = s_wTarSecond; s_wRealSecond++; if （s_wRealSecond 》= （（uint16）12*3600）） s_wRealSecond = 0; iBits = 0; wMask = 1; s_wEvent |= SECOND_EVENT; } else TACCR0 += UART_BIT_WIDTH; __low_power_mode_off_on_exit（）; }

守时时钟校准

本系统需要依靠标称频率为32768Hz晶振提供时间基准来守时，晶振负载电容对频率有微调作用。为了测定晶振实际工作 频率，可测量一段时间内的积累误差。例如在10:00:00时进行第一次BPC校时，6个小时后在16:00:00进行第二次BPC校时，用串口工具接收并打印出 第二次BPC校时前后从UART口输出的守时信号

校时之前

【2017-10-11 15:58:47:850】CB 0D

【2017-10-11 15:58:48:850】CC 0D

校时之后

【2017-10-11 15:59:47:827】07 0E

【2017-10-11 15:59:48:827】08 0E

从打印出来的数据可以看出，在校时前后两点（0x0E08-0x0DCC = 60秒），对应PC机系统时间为59:48:827-58:48:850 = 59.977秒，也就是说6小时内积累的误差为-0.023秒，可以忽略不计。否则可能需要调整负载电容来对频率进行微调，或者也可以调整代码中的 COUNT_1S的宏定义值来重新标定“1秒”。

机芯驱动

本设计初衷是要制作一个能够准确计时（无累积误差）的东西。因此完成守时信号输出就OK了，但既然动了手，就准备弄个 完整的电波钟玩玩。拆解了一个多时不用的石英钟，只将机芯步进马达的线圈引出，其他电路统统拆掉。这里我范了一个错误，本以为马达是1秒 走一步或二步，按此设计了驱动代码，结果马达跑得非常别扭，走走退退，不知怎回事，弄了半天才发现问题所在，实际上这个机芯步进马达是每秒16步 的，差得也太远了。因此，建议朋友在拆机前先测一下原机的驱动波形。

这种步进电机的驱动信号为正负交替的脉冲信号。脉冲宽度需要有个合理的范围，拆机时没有先用示波器测一下，只好自己 凑了。不过，就算测了也只能供参考，因为原机是1.5V供电的，现在改成3V，脉宽肯定需要调窄，理论上升到2倍电压后脉宽应是原来的1/4.我的这个马达 用12ms脉宽驱动，工作得很Happy.朋友自己制作时可以自行调整MOTOR_PULSE_DUTY。

为了实现正负极性的交替，使用了2个IO端口（石英钟机芯马达不分极性直接连在这两个端口上就行了），输出两路移相的方波信号。两路方波信号之间的相差即为脉冲宽度。当钟面显示 的时间同实际时间有偏差时，需要改变脉冲周期以调整电机速度，使两者趋于一致。机芯驱动使用了TimeA的通道1，在其中断服务中实现

#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR __interrupt void Motor_drv_ISR（void） { if （TACCTL1 & CCIFG） { // 步进电机驱动信号，一个周期分4个Stage，电机走2步。 // S1，S3提供动力输出。 // ------ // | S1 | // | | // --------------| |--------------| | // S0 S2 | | // | | // ------ // S3 static uint8 ucStage = 0; //步进电机每走一步分2个stage。 uint16 wS0S2; //S0，S2时间长度 TACCTL1 &= ~CCIFG; //清中断 if （ucStage == 2 * STEP_1S - 1） { //每秒末进入此处 ucStage = 0; s_wDisplaySecond++; if （s_wDisplaySecond 》= （（uint16）12 * 3600）） s_wDisplaySecond = 0; } else ucStage++; //先假定钟面时间总是偏“快”的，算一下“快”了多少 if （s_wDisplaySecond 》 s_wRealSecond） wS0S2 = s_wDisplaySecond - s_wRealSecond; else //超了一圈（12小时） wS0S2 = （（uint16）12 * 3600） - （s_wRealSecond - s_wDisplaySecond）; //如果算下来“快”了9小时以内，认为其确实“快”了，否则认为实际是“慢”了3小时不到。 //之所以不以6小时分界，是因为步进马达可以无限放慢，有限地加快。 if （wS0S2 《 2） //偏快不多，正常运行 wS0S2 = MOTOR_PERIOD - MOTOR_PULSE_DUTY; //正常运行 else if （wS0S2 《 （（uint16）9 * 3600）） //偏快，降速运行 wS0S2 = MOTOR_PERIOD_SLOW - MOTOR_PULSE_DUTY; else //偏慢，加速运行 wS0S2 = MOTOR_PERIOD_FAST - MOTOR_PULSE_DUTY; //步进电机驱动信号4个stage一个循环，走2步 switch（ucStage & 0x03） { case 0： MCU_IO_CLR（MOTOR_DRVN_PORT， MOTOR_DRVN_PIN）; TACCR1 += wS0S2; break; case 1： MCU_IO_SET（MOTOR_DRVP_PORT， MOTOR_DRVP_PIN）; TACCR1 += MOTOR_PULSE_DUTY; break; case 2： MCU_IO_SET（MOTOR_DRVN_PORT， MOTOR_DRVN_PIN）; TACCR1 += wS0S2; break; case 3： MCU_IO_CLR（MOTOR_DRVP_PORT， MOTOR_DRVP_PIN）; TACCR1 += MOTOR_PULSE_DUTY; break; } } __low_power_mode_off_on_exit（）; }

使用方法

由于系统无法读取钟面显示的时间，因此在系统上电启动时，必须先把钟面拨到00:00:00的默认位置。上电时，MCU默认为 钟面显示时间和系统实际时间为00:00:00.系统在00:00:02启动BPC对时，对时成功后，“实际时间”就准确了，这时，从UART输出的守时信号也是准确的了。 但钟面时间需要一段时间后才能逐步同实际时间一致。以后，系统会在每天的00:00:02和12:00:02各启动BPC对时一次，如果对时成功或20分钟内不能对时 则自动关闭BPC模块以节约电池。对时成功，照明等会点亮2秒。

在每天的17:00-21:00， 05:00-9:00两个时段内是BPC发射台是关闭的，在这两个时段内开机是无法对时的。

系统提供了一个按钮，短按按钮可以点灯5秒，以便夜间照明。长按2秒以上可以立即打开BPC对时，对时成功或5分钟内不成功 则自动关闭BPC模块。这些业务逻辑都在主程序中实现。

实物图

原理图

JI为下载接口。MSP430G2211晶振匹配电容内置，可配置，所以不需要外接电容

责任编辑：wv